21 июля 2020

Получены первые результаты на PENTATRAP – флагмане прецизионной масс-спектрометрии

ПИЯФ ПИЯФ

В институте Макса Планка в Гейдельберге (Германия) начаты регулярные исследования на недавно созданном тандеме из пяти ионных ловушек PENTATRAP (ПЕНТАТРАП). Эта система, которой нет аналогов в мире, предназначена главным образом для ультра-прецизионного измерения масс нуклидов. Первые результаты были получены на ней с непосредственным участием сотрудников Лаборатории физики экзотических ядер (ЛФЭЯ) Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, которые были заняты в проекте с первых дней его реализации.

В экспериментах на установке PENTATRAP на пороге 2019-2020 гг. группе физиков, возглавляемой сотрудником НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, доктором физ.-мат. наук С.А. Елисеевым в сотрудничестве и под патронажем отдела института М. Планка под руководством профессора К. Блаума, удалось получить рекордные параметры в масс-спектрометрии - относительной точности измерения масс 10-11 (в абсолютной шкале ≈ 1 эВ), о чём сообщено в публикациях в журналах Nature и Phys.Rev.Lett.

В активе недавно запущенного PENTATRAP уже есть достижение в области фундаментальной физики, а именно обнаружение нового явления – высокоэнергетичной, высокоспиновой долгоживущей изомерии в высокозарядных ионных состояниях, а также измерение масс целого набора изотопов ксенона, предлагаемых в качестве прецизионных реперов для измерений масс тяжёлых нуклидов и представляющих безусловный метрологический интерес.

Авторы работ подчёркивают, что достижение непревзойдённых до сих пор точностей в масс-спектрометрии не является самоцелью, а может обеспечить выход на новые рубежи проверки Стандартной модели элементарных частиц и ряда основополагающих законов физики. К числу первоочередных они относят определение энергий перехода (с точностью 1 эВ) в бета-превращениях, являющихся параметрами в экспериментах по определению массы нейтрино и антинейтрино.

Масса любого физического объекта является фундаментальной и, к тому же, его уникальной величиной. Как известно, наряду с двумя другими фундаментальными величинами (длиной и временем), масса обеспечивает информацией о всех других физических величинах, которые являются производными этих трёх фундаментальных. В качестве примера приведём известную формулу А. Эйнштейна , в которой энергия выражается через эти фундаментальные параметры: .

«Интерес в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ к определению масс нуклидов проявился с момента создания установки ИРИС в середине семидесятых годов прошлого века, - поясняет заведующий ЛФЭЯ профессор Ю.Н. Новиков. - Тогда разности масс нуклидов, образуемых на синхроциклотроне НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в реакции скалывания, измерялись с использованием полупроводниковых детекторов. Несмотря на небольшую точность этих измерений, удалось впервые идентифицировать границу протонной неустойчивости ядер. Затем интерес перекинулся к использованию накопительного кольца релятивистских ядер в немецком национальном центре ГСИ под Дармштадтом, где с использованием методики Schottky-регистрации удалось измерить массы большого массива экзотических нейтронодефицитных нуклидов с точностью, на один-два порядка превышающих полупроводниковые данные. Эта работа была отмечена премией Международного Совета по Теоретической и Прикладной Физике (IUPAP). Следующий этап в этом марафоне на точность уже связан с использованием ионных ловушек Пеннинга – высокочувствительных приборов, обладающих непревзойдённой точностью при измерениях масс одиночных ионов».

Эра ловушечной масс-спектрометрии для ЛФЭЯ началась и продолжается по сей день работами на различных европейских установках: SHIPTRAP (ГСИ), ISOLTRAP (ЦЕРН) и JYFLTRAP (Ювяскюля, Финляндия). Улучшив прецизионность измерений, достигнутой на накопительном кольце, на один-два порядка величины, эти ловушки оказались прекрасным средством исследований для целей ядерной физики и астрофизики. Однако, и здесь резервы метода, основанного на измерении резонансной частоты обращения одиночной частицы в магнитном и электрических полях, оказались неисчерпаемы. Востребованность в усовершенствованиях была связана с тем, что в обычных двухтандемных вариантах ловушечных систем, типа указанных выше, достигнутая относительная точность измерений в 10-8–10-9 ограничивается систематической неопределённостью. Этой точности вполне хватает для запросов ядерной физики и астрофизики, но не для выхода на новые пласты фундаментальной физики.

Для устранения систематической ошибки надо было решить непростую задачу одновременного измерения искомого и реперного нуклидов. И, как поясняет Ю. Новиков, она была успешно решена в созданной пятитандемной системе PENTATRAP. В этой системе каждой из пяти ловушек предписана чётко определённая роль, а достижение согласованности их действий потребовало от экспериментаторов высочайшего мастерства. Для достижения необходимого эффекта вышка из ловушек помещена в специально оборудованный бункер, в котором поддерживаются условия постоянной температуры и компенсируются вибрации, а пучок ионов стабильных и долгоживущих нуклидов в высокозарядном состоянии подаётся из электронных ионизаторов. На фото показан монтаж установки, выполняемый П. Филяниным и С. Елисеевым. Ей предстоит улучшить точность ещё в два раза.